In-situ transmission electron microscopy studies of metal-Ge nanowire solid-state reactions
Études in-situ dans un microscope électronique en transmission des réactions à l’état solide entre métal et nanofil de Ge
Résumé
The goal of this thesis is to provide a better understanding of metal incorporation in semiconducting NWs by performing in-situ heating experiments in a transmission electron microscope, with the ultimate aim to achieve a Field Effect Transistor (FET). A better understanding of the different phenomena occurring during the metal-semiconductor solid state reaction and correlation of their electrical properties to their structural characteristics can allow improved device fabrication and performance. We study two differentmetal-semiconductor(NW) couples : Cu-Ge and Al-Ge, due to the interesting electrical properties of their respective intermetallics in bulk, thin films and NWs systems. To provide a better electrical contact between metal and semiconductor, we thermally activate a solid-state reaction resulting in intermetallic heterostructure phase formation: theNWis transformed to a metal/intermetallic/semiconductor heterostructure. Since the NW is contacted from two sides, a similar configuration can be achieved fromthe oppositeNWend and this can result in a semiconducting channel of nm size between two metallic contacts. We used in-situ heating and biasing experiments
in a TEM to provide nm spatial resolution in order to follow all the phenomena occurring during these metal-Ge NW reactions. We used two different Joule heating techniques. The first method is referred to asHb, is based on a membrane-substrate Joule heating where a current is passed through a Mo spiral buried in the substrate leading to an uniform heat distribution along the membrane. The second method is a new heating technique developed
by Mongillo et al [20] from Silvano de Franceschi’s group. We refer to it as direct Joule heating Ha as a current is passed through a metal stripline that partly cover the NW, leading to a very local heating. We study the kinetics of the reaction interface propagation and compare with a diffusionmodel. Furthermore, detailed structural and chemical characterizations
were performed.
Le but de cette thèse est de comprendre les différents phénomènes qui se produisent lors de l’incorporation d’un métal dans un nanofil semi-conducteur, lors d’un chauffage réalisé in-situ dans un microscope électronique en transmission (MET) ayant pour but de former un transistor à effet de champ (FET). Comprendre l’ensemble des phénomènes qui se
produisent durant la réaction à l’état solide entre un métal et un semi-conducteur ainsi la corrélation de l’ensemble des propriétés structuraux et électriques des phases formés, pour permettre d’améliorer le processus de fabrication ainsi que le rendement des dispositifs résultants.
Au cours de cette thèse, on a étudié deux différents systémes : Cu-Ge et Al-Ge, le choix de ces derniers est dû aux propriétés électriques des phases résultantes révélés très prometteuses en bulk, couche mince et nanofil. Pour améliorer le contact électrique entre un métal et un semi-conducteur, nous chauffons le système pour activer une réaction à l’état solide permettant de créer une phase intermétallique entre le métal et le semi-conducteur, ce qui résulte en
un dispositif du type métal/intermétallique/semi-conducteur. Comme le nanofil utilisé dans notre dispositif est contacté par un métal des deux côtés, une configuration similaire est réalisé du côté opposé, ce qui permet de réduire la taille du segment semi-conducteur à l’ordre de quelques nanomètre. Les expériences de chauffage et mesure électrique ont été réalisés insitu dans le MET pour pouvoir suivre avec une résolution spatiale à l’échelle nanométrique l’ensemble des phénomènes qui se produisent durant la réaction à l’état solide entre le métal et le nanofil de Ge. Deux différentes techniques de chauffage à effet Joule ont été utilisés. La première méthode, nommé Hb, où une membrane est chauffé par effet Joule par l’intermédiaire d’un courant qui circule le long d’une spirale de Pt ouMo enterré dans le substrat,
permet une distribution de chaleur homogène dans toute la membrane. La deuxième méthode est une nouvelle technique développé par Mongillo et al [20] du groupe de Silvano de Franceschi. Dans la suite, nous avons optés à nommer cette technique par chauffage directe par effet Joule Ha où un courant électrique circule à travers du métal de contact qui couvre le nanofil partiellement, permettant un chauffage très locale au niveau du contact. Nous étudions la cinétique de la propagation en suivant l’évolution de l’interface de réaction et en la comparant à des modèles de diffusion.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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